Photovoltaik-Anlage Newtech drei Dünnschichtzellentechnologien im Vergleich

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1 Photovoltaik-Anlage Newtech drei Dünnschichtzellentechnologien im Vergleich Prof. Dr. H. Häberlin und Ch. Renken Berner Fachhochschule, Hochschule für Technik und Architektur (HTA) Burgdorf Labor für Photovoltaik, Jlcoweg 1, CH-3400 Burgdorf / SCHWEIZ Tel: , Fax: , heinrich.haeberlin@hta-bu.bfh.ch 1. Einführung Neben Wechselrichtertests führt die HTA Burgdorf (vormals ISB) auch seit 1992 Langzeitmessungen an vielen netzgekoppelten Photovoltaikanlagen durch. Im Jahre 2001 konnte in Zusammenarbeit mit der ADEV Burgdorf auf dem Dach eines Gebäudes der Firma Disetronic AG eine Pilotanlage mit drei neuen Dünnschichtzellen-Technologien errichtet werden. Die Module der Anlage sind genau nach Süden orientiert, praktisch nie beschattet und wurden erst unmittelbar vor der Inbetriebnahme montiert. Die Anlage wurde am in Betrieb genommen und wird seit dem ersten Betriebstag in einem Monitoringprojekt von der HTA Burgdorf ausgemessen. Dadurch sind interessante Vergleiche mit andern Anlagen (mono- und polykristallin) möglich. 2. Kurze technische Beschreibung der Anlage Die Anlage Newtech besteht aus 3 netzgekoppelten 1kWp-Photovoltaikanlagen mit 3 verschiedenen neuartigen Dünnschichtzellen-Technologien. Die Gesamtleistung der PV- Anlage beträgt 2844 Wp. Die Modulneigungswinkel betragen β = 30 und die Ausrichtung γ = 0 (Süd). Die Anlage besteht aus 3 Teilanlagen von je etwa 1 kwp, die ihre Energie je über einen eigenen ASP Top Class Spark Wechselrichter (mit Trafo) ins Netz einspeisen. Anlage Newtech 1: Kupfer-Indium-Diselenid-Zellen (CuInSe 2- oder CIS-Zellen) 24 gerahmte Module Siemens ST 40 (40 Wp), 3 Stränge zu 8 Modulen in Serie, STC-Nennleistung P STC-Nenn = 960 Wp, TK 0,51%/K. Gemessen: P STC 1015 Wp. Anlage Newtech 2: Tandemzellen aus amorphem Si 20 gerahmte Module Solarex MST 43-LV (43 Wp), 2 Stränge zu 10 Modulen in Serie, STC-Nennleistung P STC-Nenn = 860 Wp, TK 0,22%/K. Gemessen: P STC 810 Wp. Anlage Newtech 3: Tripelzellen aus amorphem Si 16 gerahmte Module Uni-Solar US-64 (64 Wp), 2 Stränge zu 8 Modulen in Serie, STC-Nennleistung P STC-Nenn = 1024 Wp, TK 0,21%/K. Gemessen: P STC 1000 Wp. Newtech 3 Newtech 1 Newtech 2 Bild 1: Ansicht des Solargenerators mit den 3 Teilanlagen Newtech 1 3

2 Ende März 2002 wurde mit dem Kennlinienmessgerät unseres Labors die I-U-Kennlinien der drei Anlagen gemessen und mit den erhältlichen Angaben über die Temperaturkoeffizienten der Module auf STC umgerechnet. Bei der Anlage Newtech 1 mit CIS-Modulen ST40 von Siemens ergab sich dabei erstmals eine STC-Leistung, die deutlich über der Summe der Nennleistungen der Module liegt. Dies wurde in allen bisher durchgeführten Feldmessungen an Modulen noch nie beobachtet. Es ist sehr erfreulich, dass zumindest ein Hersteller nun von der bisher in der PV-Branche verbreiteten Praxis abweicht, den Kunden Module zu liefern, deren Anfangsleistung nur knapp über dem garantierten Minimalwert, jedoch deutlich unter dem Nennwert liegt. Bei den amorphen Technologien wurden dagegen Leistungen gemessen, die wie üblich um einige Prozent unter der Summe der STC-Nennleistungen liegen. Blockschaltbild PV-Anlage Newtech Bild 2: Blockschaltbild der PV-Anlage Newtech mit Messeinrichtung Pyranometer CM11 3x PT100 Anlegesensor PT100-Sensor Newtech 1 24 ST40-Module Datalogger CR10X Sonneneinstrahlung Modultemperaturen Umgebungstemperatur DC-Spannung DC-Strom AC-Leistung = HTA Burgdorf Datenübertragung via GSM-Modem Datenauswertung Netzeinspeisung 3x 230V/50Hz Phase L1 Top Class Spark Newtech 2 20 MST43-Module = Phase L2 Top Class Spark Newtech 3 16 US-64-Module = Phase L3 Top Class Spark Im 2s-Takt werden folgende Messgrössen erfasst: Sonneneinstrahlung in Modulebene mit einem Pyranometer CM11 (beheizt) Solarzellentemperatur der 3 Solargeneratoren mit PT100-Anlegefühler Umgebungstemperatur mit PT100 Von allen 3 Teilanlagen: Gleichstrom und Gleichspannung, daraus berechnet Gleichstromleistung ins Netz eingespeiste Wirkleistung Netzspannung am Einspeisepunkt einer Phase Aus diesen Messungen werden 5-Minuten-Mittelwerte gebildet und abgespeichert. Bei Störungen werden die 2-Sekunden-Messwerte in einem Error-File gespeichert. Die Daten werden täglich automatisch per Modemverbindung via GSM übertragen, gespeichert und zur Auswertung aufbereitet. 3. der drei Dünnschichtzellen-Anlagen Bei allen drei Anlagen funktionierte bisher sowohl die Messtechnik als auch die Anlage störungsfrei. Da die Inbetriebnahme wegen baulichen Verzögerungen im Winter erfolgte, konnte trotz der Messung seit der Inbetriebnahme in einer ersten Auswertung in den ersten Monaten keine eindeutig feststellbare Initialdegradation registriert

3 werden, da an einigen Tagen im Dezember, Januar und März noch Schneebedeckungen vorhanden waren. Vielleicht gelingt es mit einer verfeinerten Analyse (unter Elimination der kritischen Tage mit Schneebedeckung) zu einem späteren Zeitpunkt, belastbare Aussagen zu erhalten. Für einen ersten Überblick über die Energieproduktion und allfällig aufgetretene betriebliche Probleme eignen sich normierte en sehr gut. Bei dieser Darstellung werden die normierten Grössen Y r (Strahlungsertrag in Generatorebene in (kwh/m 2 /d)/(1kw/m 2 )), Y a (Generator-Ertrag auf der DC-Seite in kwh/kwp/d) und Y f (Endertrag auf der AC-Seite in kwh/kwp/d) sowie die Performance Ratio PR = Y f / Y r als durchschnittliche Tageswerte für jeden Monat angegeben (Details siehe [1]). Die Bilder 3 bis 6 zeigen die normierten en der Anlagen Newtech 1, 2 und 3 und einer Anlage mit c-si-solarzellen im Jahre 2002 (alle Anlagen in Burgdorf). Bild 3: 2002 der CIS-Anlage Newtech 1 mit Siemens ST kwh/ Der bisher gemessene spezifische der CIS-Anlage Newtech 1 liegt deutlich über dem Ertrag einer Anlage aus monokristallinen Zellen, was vor allem an der (gegenüber der auf dem Datenblatt angegebenen Nennleistung) deutlich höheren effektiven STC-Nennleistung der gelieferten Module liegt. Günstig ist aber auch die lange Zellenform und die Hochkant-Montage, bei der durch Schnee und Schmutz alle Zellen gleichmässig und nur geringfügig beeinträchtigt werden. Der spezifische 2002 betrug 1091 kwh/ Die Anlage Newtech 2 liegt ertragsmässig im Bereich guter Anlagen mit monokristallinen Zellen. In den Sommermonaten sind die temperaturbedingten Verluste geringer als bei Anlagen mit kristallinen Zellen. Bei schwacher Einstrahlungen fällt aber die Ausgangsspannung der verwendeten Module stark ab und der Wechselrichter arbeitet dann ausserhalb des MPP, was eher ungünstig ist. Seit Sommer 2002 scheinen sich die Generatoreigenschaften trotz relativ sauberen Modulen deutlich zu verschlechtern, d.h. k G und PR nehmen seither ab (siehe auch Bild 7 und 8).

4 Bild 4: 2002 der a- Si-Tandem- Anlage Newtech 2 mit BP Solarex MST43LV. 964 kwh/ Bild 5: 2002 der a-si-tripel- Anlage Newtech 3 mit Unisolar US kwh/ Die Anlage Newtech 3 mit den a-si-tripel Zellen von Unisolar liegt im Bereich der besten monokristallinen Anlagen (neue Anlagen mit trafolosem Wechselrichter). Da jedoch der bei Newtech 3 verwendete Wechselrichter einen Trafo besitzt, hätte die Anlage mit einem trafolosen Wechselrichter noch einen um einige Prozente höheren Ertrag. Sie profitiert im Sommer ebenfalls vom viel niedrigeren Temperaturkoeffizienten. Beachtlich ist vor allem die gute Performance Ratio PR an Tagen mit

5 geringer Einstrahlung, die höher ist als bei allen andern Anlagen. Würde der Hersteller eine Modulleistung liefern, die im stabilisierten Zustand der auf dem Modul angegebenen Nennleistung entspricht, läge diese Anlage möglicherweise sogar an der Spitze. Eher negativ wirkte sich an Tagen mit Schneebedeckung die leicht geriffelte Oberfläche der Module aus, die das Abgleiten von Schnee behindert sowie die Tatsache, dass bei Hochkant-Montage die untersten Zellen durch Schnee vollständig bedeckt sein können. Auch bei dieser Anlage scheinen sich seit Sommer 2002 die Generatoreigenschaften trotz relativ sauberen Modulen etwas zu verschlechtern, d.h. k G und PR nehmen seither ab (siehe auch Bild 7 und 8). Bild 6: 2002 einer Anlage mit monokristallinen Modulen. 931 kwh/ Der aller Anlagen in Burgdorf wurde im November und besonders im Dezember 2002 durch die in diesem Jahr in diesen beiden Monaten aussergewöhnlich geringe Einstrahlung stark beeinträchtigt (sehr niedrige k G- und PR-Werte). In Bild 7 werden die Monats-DC-Nutzungsgrade, in Bild 8 die Generator-Korrekturfaktoren k G = Y a /Y T, (Y T = temperaturkorrigierter Referenzertrag, Details siehe [1]) der drei Newtech-Anlagen und von zwei Anlagen mit kristallinen Siliziumzellen verglichen. In Bild 7 ist zu erkennen, dass die amorphen Technologien einen geringeren Abfall des Wirkungsgrades bei höheren Temperaturen im Sommer aufweisen und dass der Nutzungsgrad der CIS-Anlage relativ nahe an den Wert kristalliner Anlagen kommt. Bild 8 zeigt, dass die CIS-Module bezüglich k G eindeutig an der Spitze stehen, was vor allem auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass die effektive STC-Leistung über dem Nennwert liegt. Das k G wies im Sommer bei der CIS-Anlage sogar eher steigende Tendenz auf. Hohe spezifische Erträge von CIS- und a-si-triple-anlagen werden auch von anderen Autoren berichtet [2], [3]. Wegen der geringen Temperaturabhängigkeit des s dürften amorphe Module vor allem für nicht oder schlecht hinterlüftete Anlagen von Interesse sein.

6 Bild 7: Monats-DC- Nutzungsgrad der drei Newtech- Anlagen im Vergleich zu zwei Anlagen mit mono-c-si (alpine Anlage mit b = 90 auf 2670m). DC-Nutzungsgrad in % Monats-DC-Nutzungsgrade verschiedener PV-Anlagen mono-si: Siemens M55 CIS: Siemens ST 40 a-si Triple: Unisolar US-64 mono-si: Siemens M55, alpin auf 2670m Birg Gfeller Newtech1 Newtech2 Newtech3 4 a-si Tandem: Solarex MST 43 LV Monat im Jahr 2002 Monats-k G verschiedener PV-Anlagen Bild 8: Monats-Generator- Korrekturfaktor k G der 3 Newtech- Anlagen im Vergleich zu 2 Anlagen mit mono-c-si (alpine Anlage mit b = 90 auf 2670m). Generator-Korrekturfaktor k G in % mono-si: Siemens M55 Birg Gfeller Newtech1 Newtech2 Newtech3 CIS: Siemens ST 40 a-si Triple: Unisolar US-64 mono-si: Siemens M55, alpin auf 2670m a-si Tandem: Solarex MST Monat im Jahr 2002 Verdankungen Die Erstellung der Anlage wurde vom WEA des Kantons Bern und vom BFE in Bern unterstützt. Die hier beschriebenen Messungen wurden vom BFE, der Localnet AG Burgdorf, der Gesellschaft Mont Soleil und der Elektra Baselland finanziert. Literatur [1] H. Häberlin, Ch. Beutler und C. Liebi: Analyse des Betriebsverhaltens von Photovoltaikanlagen durch normierte Darstellung von und Leistung. 11. Symposium Photovoltaik, Staffelstein, [2] F. H. Karg et al: Performance of Grid Coupled PV Arrays based on CIS Solar Modules. 17. EU PV Solar Energy Conference., Munich, [3] M. van Cleef et al.: Superior Energy Yields of UNISOLAR Triple Junction Thin Film Silicon Solar Cells EU PV Solar Energy Conference., Munich, Informationen über weitere Aktivitäten des Photovoltaik-Labors der HTA Burgdorf und weitere Publikationen (teilweise online) sind unter zu finden.